Реактивные топлива
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
. ПОЛУЧЕНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ ПРОИЗВОДСТВА РЕАКТИВНЫХ ТОПЛИВ
. РАКЕТНЫЕ ТОПЛИВА
. МАРКИ РЕАКТИВНЫХ ТОПЛИВ РОССИИ
. ОСНОВНЫЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА РЕАКТИВНЫХ ТОПЛИВ
ЛИТЕРАТУРА
ВВЕДЕНИЕ
Реактивные топлива - это топлива, предназначенные для реактивных двигателей самолетов, вертолетов и ракет. Мировое производство реактивного топлива составляет в среднем 5 % от объема перерабатываемой нефти (примерно 2 % - в Европе и развивающихся странах и 7 % - в Северной Америке). В мирное время военные потребляют около 10 % от общих ресурсов реактивных топлив.
Масса топлива составляет от 30 до 60 % от взлетной массы самолета, что делает особо важной роль топлива.
Топлива эти однокомпонентные (т.е. смешение их не допускается), с жестко оговоренной технологией получения.
Они должны обеспечивать:
надежный запуск двигателя в любых условиях;
устойчивое горение в быстро движущемся потоке воздуха и при больших коэффициентах избытка воздуха;
полное" сгорание без дыма и нагара;
высокую скорость и дальность полета и безаварийность.
1. ПОЛУЧЕНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ ПРОИЗВОДСТВА РЕАКТИВНЫХ ТОПЛИВ
Массовыми реактивными топливами в настоящее время практически являются топлива двух марок: ТС-1 (высшего и первого сортов), РТ (высшей категории качества).
Основное сырье для производства массовых реактивных топлив - среднедистиллятная фракция нефти, выкипающая в температурном интервале 140 - 280 °С.
Топливо ТС-1. В зависимости от качества перерабатываемой нефти (содержания меркаптанов и общей серы в дистиллятах) топливо получают либо прямой перегонкой, либо в смеси с гидроочищенным или демеркаптанизированным компонентом (смесевое топливо). Содержание гидроочищенного компонента в смеси не должно быть более 70 % во избежание значительного снижения противоизносных свойств.
Гидроочистку используют, когда в керосиновых дистиллятах нефти содержание общей и меркаптановой серы не соответствует требованиям стандарта, демеркаптанизацию когда содержание только меркаптановой серы не соответствует требованиям стандарта.
Топливо РТ получают, как правило, гидроочисткой прямогонных дистиллятов с пределами выкипания 135-280 °С. В качестве сырья для гидроочистки используют дистилляты, из которых нельзя получить топливо ТС-1 из-за повышенного сверх нормы содержания общей и меркаптановой серы.
Проблемы, связанные с топливами для реактивной авиации и ракет, в настоящее время заключаются в следующем:
топлива можно получить не из всех нефтей, а только из специальных, которые обеспечивают нормируемые показатели качества;
низкий потенциал топливных фракций в нефтях (10-12 %), что сильно уменьшает ресурсы топлива;
жесткие нормы по таким показателям, как содержание АрУ, температура начала кристаллизации, вязкость и фракционный состав, накладывают такие ограничения, что в итоге резко сокращаются ресурсы топлива.
Использование потенциала топлива РТ составляет сейчас 70-75 %, так как при увеличении этой доли не соблюдаются показатели качества дизельного топлива.
С учетом тенденции снижения добычи легких нефтей, пригодных для получения топлив ТС-1 и РТ, возможны следующие варианты.
. Повышение нормы на содержание АрУ до 23-25 %. Тогда для получения РТ будут пригодны до 75 % всех нефтей. Но это потребует некоторых конструктивных изменений турбореактивного двигателя, так как при этом увеличивается возможность нагароотложений.
. Повышение нормы на температуру начала кристаллизации до значений "не выше минус 50°С", а на некоторые марки топлива до "не выше минус
°С", поскольку топливо в баках никогда не охлаждается до минус 50°С.
. Расширение фракционного состава, как по началу, так и по концу кипения. Первым шагом в этом направлении в ближайшие годы стал бы переход на использование топлива Т-2 (100-280°С). В дальнейшем повышение конца кипения до 340 или даже 350°С позволило бы вообще снять проблему с ресурсами реактивных топлив, но для этого потребуется пересмотреть конструкции ТРД и самолета в целом, так как по-иному должна быть построена система топливоподготовки, топливоподогрева, сжигания топлива и др.
4. Применение сжиженного водорода в авиации. Попытки его использования как топлива в обычных авиадвигателях уже делались, но были прекращены из-за сложностей хранения водорода на самолете. В дальнейшем возможно возобновление работ по применению водорода, но уже в новом качестве: как параллельного топлива для малых жидкостных ракетных двигателей - ЖРД (вместе с окислителем), которые могут выполнять роль разгонных двигателей или ускорителей.
. РАКЕТНЫЕ ТОПЛИВА
реактивное топливо ракетный двигатель
Ракетные топлива применяются только для жидкостных ракетных двигателей (ЖРД) и поэтому есть свои особенности в их применении.
Они бывают однокомпонентными и двухкомпонентными.
Однокомпонентные ракетные топлива содержат в своем составе и горючие элементы, и кислород, например:
Метилнитрат - CH3ONO2 (температура кипения 64 °С)
Нитрометан - CH3NO2 (температура кипения 101 °С)
Эти топлива горят без подвода кислорода извне и используются в тех случаях, когда подвод кислорода ограничен.
Двухкомпонентные ракетные топлива - это углеводородное горючее, сжигаемое в присутствии сильного окислителя (обычно жидкого кислорода).
Горючее применяется синтетическое и природное. Примером синтетического горючего может служить гидразин, или диамид (H2N-HH2), кипящий при 113°С.
Природные горючие - это либо жидкий водород, либо углеводороды.
Углеводородные горючие используются самые различные. Это и серийные топлива Т-2 и Т-6, и специально выделенные фракции нафтеновых нефтей ("Нафтил"), а также синтезированные нафтеновые углеводороды.
. МАРКИ РЕАКТИВНЫХ ТОПЛИВ РОССИИ
Топлива России разрабатывались начиная с 40-х годов XX века.
Т-1. Введено в 1948 г. Представляет собой прямогонный керосин с содержанием серы не более 0,1 %. Ориентировано на получение из нефтей Баку. Имеет широкий фракционный состав и относительно высокую норму по минимальной плотности. Фракционный состав (Фр. с.) 130-280°С.
ТС-1. Взаимозаменяемо с Т-1. Прямогонный керосин с содержанием серы не более 0,25 % (впервые получено из нефтей междуречья Урал-Волга). Фракционный состав определяется нормами на другие показатели. Малая термостабильность. Вырабатывается и в настоящее время. Фр. с. -130-240°С.
Т-2. Дистиллят широкого фракционного состава (100-280°С) из высокосернистых нефтей, имеющий высокую летучесть. Топливо введено в 1957 г. с целью расширения ресурсов авиатоплив. В настоящее время не выпускается и считается резервным.
Т-3. Специально вырабатывалось для ГДР.
Т-4. Введено в 1957 г. как временное и имеющее широкий фракционный состав и высокое содержание серы. Имело малую термостабильность и окислялось при хранении (вероятно, его получали из дистиллятов вторичного происхождения - крекинга и т.п.).
Т-5. Разработано как топливо для прямоточных ВРД. Имеет малую термостабильность, высокую плотность и вязкость и широкий фракционный состав.
Т-6. Введено в 1966 г. для сверхзвуковой авиации. Фракция 195-315°С первичной перегонки нефти с последующим гидрированием или фракция 195-300°С газойля каталитического крекинга с последующей гидродеароматизацией. Обладает высокой плотностью (0,845 г/см.), высокой температурой вспышки, большой теплотой сгорания (36 МДж/л), малым содержанием серы (0,05%) и ароматических углеводородов (5-8%). Имеет высокую термостабильность.
Т-7. Вторичное гидроочищенное топливо. Введено в 1966 г. для сверхзвуковой авиации с целью использования в гражданских самолетов, но несомненно пригодно как топливо для военных самолетов. Вырабатывалось из малосернистых нефтей. Термостабильно.
Т-8В. Впервые введено в 1968 г. специально для первого отечественного сверхзвукового гражданского самолета ТУ-144. Прямогонная фракция
-280°С с последующей каталитической гидродеароматизацией. Имеет хорошую термостабильность и малую испаряемость. Используется также для военной сверхзвуковой авиации и другой техники.
РТ. Впервые введено в 1970 г. для дозвуковых самолетов. Фракция
-280°С первичной перегонки нефти с последующей гидроочисткой. Содержит смазывающие присадки. Высокая термостабильность. Потенциально может использоваться, когда требуется повышенная выработка реактивных топлив.
Таким образом, в настоящее время вырабатываются реактивные топлива:
дозвуковые Т-1 и ТС-1 (аналог США- JP-4);
переходное РТ, которое может использоваться как для звуковых самолетов, так и для сверхзвуковых (аналог CШA-JP-5);
сверхзвуковые Т-6 и Т-8В.
ракетные (марки определяются соответствующими ТУ).
4. ОСНОВНЫЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА РЕАКТИВНЫХ ТОПЛИВ.
Фракционный состав определяется в основном нормами на плотность, вязкость и температуру начала кристаллизации. Но в стандартах указаны предельные значения температур кипения (см. табл. 1.).
Американское топливо JP-4 имеет пределы кипения 120-250 °С.
В зависимости от конкретной нефти состав подбирается таким, чтобы были в норме плотность, вязкость и температура начала кристаллизации.
В табл.1 приведены нормы на показатели качества всех марок реактивных топлив.
Таблица 1. Характеристики реактивных топлив
Вязкость, иначе называемая "противоизносное свойство", определяет распыляемость топлива, его прокачиваемость в топливной системе и износ плунжеров насоса.
Чем меньше вязкость, тем лучше топливо распыляется и выше дисперсность микрокапель. Прокачиваемость также улучшается с уменьшением вязкости.
При увеличении вязкости смазка насоса улучшается, и износ уменьшается, но до определенных пределов, когда вязкость увеличивается так сильно, что затрудняется прокачиваемость и растут затраты энергии на привод насоса. Поэтому при больших значениях вязкости существует верхнее ограничение по вязкости, а при малых - нижнее. Исходя из этого, нормы на кинематическую вязкость таковы, что при 20°С для всех топлив, кроме Т-6, действует нижнее ограничение (норма "не менее"), а во всех остальных случаях действует верхнее ограничение (норма "не более").
Температура начала кристаллизации, иначе называемая "низкотемпературное свойство", является для авиационных топлив очень важной эксплуатационной характеристикой, поскольку температура в верхних слоях атмосферы порядка минус 50°С и в случае образования кристаллов в топливе нарушится прокачиваемость топлива, начнут забиваться фильтры тонкой очистки топлива, и двигатель остановится (что чревато самыми тяжелыми последствиями).
Поэтому для всех марок топлив эта температура начала кристаллизации нормируется "не выше минус 60°С".
Нагарообразующие свойства. Они определяются такими показателями, как содержание смол и ароматических углеводородов и высота некоптящего пламени.
Нагар может образовываться у устья форсунок и на стенках камер сгорания.
При образовании нагара у устья форсунок искажается форма факела горения топлива, вместо соосного с камерой факел становится направленным под углом и "бьет" в стенку камеры. Это может привести к местному пережогу стенки и, как следствие, к пожару в двигателе.
При отложении нагара непосредственно на стенках камеры сгорания растет термическое сопротивление стенок, что также приводит к перегреву стенок, их прогару и также к пожару.
Наиболее нагарообразующим компонентом являются смолы (фактические).
Ароматические углеводороды также относятся к нагарообразующим компонентам, поскольку у них самое низкое отношение Н:С (обедненность водородом), вследствие чего при горении они дают сильно светящееся пламя, усиливающее лучистый теплообмен; все это ведет к отложению нагара и прогару камер сгорания. Особо вредны бициклические ароматические соединения. Содержание бициклических ароматических соединений нормируется значением люминометрического числа, т.е. светимостью пламени:
Наиболее характерный показатель нагарообразующих свойств -30 это высота некоптящего пламени (определяется в лабораторной фитильной лампе по высотепламени без копоти). Чем выше высота некоптящего пламени (ВНП), тем меньше нагар.
Характеристики горения топлива, в том числе данные по нагару, приведены в табл. 2.
Таблица 2. Характеристики горения топлива
ПоказателиИзоок- танЦикло-гексанАдкил-циклогексанТ-1ТолуолБензолМетилне-фтапинДл. факела при а = 4, %100104-114120144-Нагарообразование относительно Т-1, %12-301004756401020Нагар, гр.0,45-0,923,81824,448,2Отношение С:Н (по m)5,336,05S586,2210,512,013,2
Содержание серы косвенно характеризует нагарообразующие свойства, но в основном сера вредна из-за коррозии. Поэтому нормы на содержание серы.
Термостабильность характеризует топливо по его склонности к образованию смолистых веществ при контакте с воздухом при высокой температуре. При скорости самолета, в 2-5 раз превышающей скорость звука, топливные баки самолета разогреваются до 150-200°С, а отсюда - образование смол в топливе и, как следствие - отложение нагара при горении. Мерой термостабильности в статистических условиях является количество смол (в мг), образовавшихся в 100 мл топлива при 150°С и контакте с воздухом в течение 4 - 5 часов. Определяют для образцов топлива по 50 мл в металлических сосудах с крышками, помещенных в термостат, нагретый до 150°С, и выдерживаемых в течение указанного выше времени.
Для топлив, предназначенных к использованию в сверхзвуковой авиации, помимо термостабильности в статистических условиях определяется термоокислительная стабильность динамическим методом. В этих испытаниях топливо, нагретое до 150-180°С, прокачивается через специальный фильтр в течение 5 ч. Нормируется перепад давления на фильтре (не выше 10 кПа) и отложения на подогревателе не более 1-2 баллов.
Энергетические свойства характеризуются низшей теплотой сгорания, плотностью и содержанием ароматических углеводородов.
Массовая теплота сгорания топлива должна быть максимальной.
Но не менее важна и объемная теплота сгорания, т.е. количество тепла, выделяющегося при сгорании 1 литра топлива (МДж/л), поскольку в самолете объемы баков ограничены и важно, сколько энергии даст единица объема топлива.
Объемная теплота сгорания равна массовой теплоте, умноженной на плотность топлива, поэтому чем выше плотность топлива, тем больше объемная теплота сгорания. Плотность же топлива тем выше, чем больше в топливе содержится нафтеновых и ароматических углеводородов.
Ароматические углеводороды имеют наибольшую плотность и поэтому наиболее выгодны с точки зрения объемной теплоты сгорания. Но, с другой стороны, они имеют наименьшее отношение Н:С и наименьшую массовую теплоту сгорания, а также дают нагар при горении.
Исходя из сказанного, подбирается оптимальный состав топлива, который бы обеспечивал его максимальные энергетические свойства.
Этот оптимальный состав складывается из нафтенов (60-80 %), изоалканов (15-30 %) и ароматических углеводородов (5-10 %).
В табл. 3 приводятся сравнительные энергетические характеристики некоторых углеводородов и реактивных топлив.
Таблица 3. Энергетические характеристики некоторых углеводородов и топлив
Плотность,Теплота сгоранияТемпература, °СУглеводороды топливакг/ммассовая, МДж/кгобъемная, МДж/лкристаллизациикипениян-Тетрадекан763 43,5733,62+6254Тетрациклононан99142,742,37-51469Трициклодекан92243,П39,76+ 10444Смесь моноцикличес91041,5737,71-69200-242ких АрУСмесь бициклических96339,3437,98-37240-280АрУТопливо ТС-177642,933,5-60140-240Топливо РТ80043,1934,5-60140-280Топливо Т-685042,936;47-60120-250
Присадки к топливам вводятся для улучшения некоторых свойств, не обеспечиваемых групповым составом и технологией получения топлива.
Обычно число присадок, вводимых в реактивные топлива, крайне ограничено -1-2 присадки:
антиокислительные, улучшающие термостабильность топлива;
противоизносные, улучшающие смазывающую способность топлива. Иногда (за рубежом) вводится антистатическая присадка.
ЛИТЕРАТУРА
1.Коршак А.А. Основы нефтегазового дела. Учебное пособие./ Коршак А.А., Шаммазов А.М. - Уфа: Издательство УГНТУ, 1999.
.Фукс И.Г. Нефть, газ и продукты их переработки./ Фукс И.Г., Холодов Б.П. - М.:- Нефть и газ.-163с.
3.Мишин В.М. Переработка природного газа и конденсата. Учебник для непрерывного фирменного профессионального рабочих в обществах и организациях ОАО «Газпром»./ Мишин В.М. - М.: Издательский центр «Академия», 1999.-448с.
.Другов Ю.С. Экологические анализы при разливах нефти и нефтепродуктов./Другов Ю.С., Родин А.А. -С-Петербург.: 2000г.
.Кламанн Д. Смазка и родственные продукты. / Кламанн Д. - Москва: Химия.-1998г.